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Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Poren enthaltenden Metallschaum-Verbundwerkstoff aus einer Metallmatrix mit eingebetteten nanostrukturierten Aerogelen oder Schichtsilicaten mit makroskopischen Abmessungen (Mikro- bis Millimeter).
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Die meisten der in den letzten Jahrzehnten entwickelten Verfahren zur Herstellung von porigen Metallen, liefern geschlossen- oder offenzellige Schäume und Schwämme. Eine schaumartige Morphologie ist notwendig für hohe mechanische Eigenschaften (Steifigkeit) und damit für strukturelle Anwendungen wie beispielsweise Leichtbauelemente im Fahrzeugbau. Funktionelle Anwendungen wie beispielsweise Filter, Schalldämpfer oder Wärmetauscher benötigen eine offenzellige Struktur, damit ein fluides Medium in den Schaum oder Schwamm eindringen oder diesen auch durchdringen kann. Offenzellige Schäume oder Schwämme werden bislang über den Prozessschritt des Feingusses erzeugt. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig und damit teuer. Ein seit langem bekanntes alternatives Verfahren ist das Umgießen von Füllstoffen mit metallischen Schmelzen. Nach der Entfernung der Füllstoffe liegt ein schwammartiger offenzelliger Körper mit miteinander verbundenen Poren vor. Metallische Schäume werden in der Regel durch Begasung einer Schmelze oder durch thermischen Zerfall von beispielsweise Hydriden hergestellt. Die Schaumherstellung ist prinzipiell ein instationärer, instabiler und schwer zu kontrollierender Prozess. Die bislang bekannten Verfahren sind ausführlich in der Literatur dokumentiert (J. Banhart, J. Baumeister, M. Weber, Metallschaum, Aluminium, 70, 209–211 (1994);
J. Banhart, J. Baumeister, M. Weber: Geschäumte Metalle als neue Leichtbauwerkstoffe, VDI Berichte 1021, 277–284, (1993); H. Cohrt, F. Baumgärtner, D. Brungs, H. Gers: Grundzüge der Herstellung von Aluminiumschaum auf PM-Basis, Tagungsband des ersten deutschsprachigen Symposiums Metallschäume; (Proceedings of the first German Symposium an Metal Foams); Bremen (Germany), 6.–7. March; 91–102, (1997); J. J. Bikerman: Foams: Theory and Industrial Applications, Reinhold, New York, Kap. 4, (1953); M. Weber: Herstellung von Metallschäumen und Beschreibung der Werkstoffeigenschaften, Dissertation, TU Clausthal, (1995)).
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Schäume im Sinne der Erfindung werden mit Schwämmen weitgehend gleichgesetzt und sind als kolloidchemische Systeme Gebilde aus gasgefüllten, kugel- oder polyederförmigen Zellen, welche durch feste Zellstege begrenzt werden. Die Zellstege, verbunden über sogenannte Knotenpunkte, bilden ein zusammenhängendes Gerüst. Zwischen den Zellstegen spannen sich die Schaumlamellen (geschlossenzelliger Schaum). Werden die Schaumlamellen zerstört oder fließen sie am Ende der Schaumbildung in die Zellstege zurück, erhält man einen offenzelligen Schaum. Schäume sind thermodynamisch instabil, da durch Verkleinerung der Oberfläche Oberflächenenergie gewonnen werden kann. Die Stabilität und damit die Existenz eines Schaums ist somit davon abhängig, wieweit es gelingt, seine Selbstzerstörung zu verhindern.
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DE 40 18 360 C1 beschreibt die Aufschäumung von Aluminiumlegierungen mit Hilfe von Titanhydridpulver.
DE 41 01 630 C2 beschreibt die Aufschäumung auch von anderen Metallen und Legierungen wie beispielsweise Bronze ebenfalls mit Hilfe von Titanhydridpulver.
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Viele der vorgenannten Verfahren, insbesondere die Aufschäumung von Metallen durch den Einsatz von Hydridpulvern, haben gemeinsam, dass diese metallischen Schäume in ihren Eigenschaften oftmals nicht reproduzierbar sind und eine ungleichmäßige Verteilung der Poren aufweisen. Viele dieser Verfahren resultieren in Metallschäumen mit einer Porosität von mehr als 85%, womit diese Metallschäume für Anwendungen ungeeignet sind, bei denen eine hohe mechanische Festigkeit und insbesondere eine hohe Druckfestigkeit notwendig ist.
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Werden die Metallschäume durch Umgießen von Füllstoffen erhalten, so müssen die Füllstoffe in einem zusätzlichen Arbeitsschritt aufwendig entfernt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist also die möglichst einfache Herstellung von Metallschäumen, die trotz geringen Gewichts eine hohe mechanische Stabilität aufweisen.
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Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch einen Poren enthaltenden Metallschaum-Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1.
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Poren im Sinne der Erfindung sind solche Volumenbereiche des Verbundwerkstoffs, die nicht von Metall ausgefüllt sind und eine Dichte in einem Bereich von 0,001 g/cm3 bis 0,1 g/cm3 aufweisen. Die Poren können vorteilhafterweise teilweise oder vollständig durch die eingebetteten nanostrukturierten Materialien gefüllt sein. Die erfindungsgemäße Bezeichnung Poren, die klassischerweise mit Gas gefüllt sind, weicht also bewusst vom bisherigen Verständnis ab, da die erfindungsgemäßen Poren auch beispielsweise mit Feststoffen wie Aerogel ausgefüllt sein können.
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Nanostrukturierte Aerogele oder Schichtsilicate im Sinne der Erfindung umfassen solche, die Erhebungen auf ihrer Oberfläche aufweisen, von denen mindestens 80% der Erhebungen einen Abstand von benachbarten Erhebungen im Bereich von 5 nm bis 500 nm aufweisen, wobei die Erhebungen selbst eine Höhe in einem Bereich von 5 nm bis 500 nm besitzen. Zudem sind darunter Aerogele oder Schichtsilicate zu verstehen, deren innere Struktur aus Nanoteilchen besteht, also Teilchen mit einem Durchmesser in einem Bereich von 2 bis 100 nm, die vernetzt sind. Liegen die nanostrukturierten Aerogele oder Schichtsilicate als Teilchen vor, so liegt die Teilchengröße vorteilhafterweise in einem Bereich von 0,1 bis 5 mm.
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Vorteilhafterweise liegt die Porosität des erfindungsgemäßen Metallschaum-Verbundwerkstoffs in einem Bereich von 20 bis 80%, insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 30 bis 70%. Die Porosität im Sinne der Erfindung ist das Verhältnis des Gewichts eines bestimmten vorgegebenen Volumens des erfindungsgemäßen Metallschaum-Verbundwerkstoffs zu dem Gewicht eines entsprechend porenfreien Metallkörpers desselben Volumens. Ist die Porosität zu groß, so weist dieser Verbundwerkstoff eine für viele Anwendungen zu geringe mechanische Festigkeit auf. Ist die Porosität zu gering, so ist das Gewicht dieses Verbundwerkstoffes für viele Anwendungen zu hoch. Dadurch dass die Poren vorteilhafterweise auch durch die nanostrukturierten Aerogele oder Schichtsilicate gefüllt sein können, entspricht in diesem Fall die Porosität also im Wesentlichen dem Volumengehalt der nanostrukturierten Aerogele oder Schichtsilicate, für den Fall, dass die nanostrukturierten Aerogele oder Schichtsilicate vernachlässigbar leicht sind.
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Das Volumen der einzelnen gefüllten Poren ist bevorzugt so eingestellt, dass das Volumen von mindestens 80% der Poren höchstens jeweils 500 mm3 beträgt. Beträgt das Volumen von mehr als 80% der Poren jeweils mehr als 500 mm3, so sind diese Verbundwerkstoffe nicht hinreichend mechanisch belastbar. Die Porengröße des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs kann beispielsweise nach ASTM 3576-77 bestimmt werden.
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Nanostrukturierte Aerogele oder Schichtsilicate sind chemisch inert. Chemisch inert im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die nanostrukturierten Aerogele oder Schichtsilicate keine chemische Reaktion mit geschmolzenem Metall eingehen. Dies ist besonders vorteilhaft, da so eine Degradierung, beispielsweise Oxidation, der Metallmatrix vermieden werden kann.
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Durch die geringe Dichte der Aerogele oder der expandierten Schichtsilicate können bei der Herstellung Partikel dieser Materialien mit metallischen Schmelzen umgossen werden und bilden so die Poren des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs, ohne Notwendigkeit, diese Materialien aus dem Verbundwerkstoff zu entfernen. Dies gilt insbesondere für Aerogel, da die Dichte des erfindungsgemäß eingesetzten Aerogels vorteilhafterweise in einem Bereich von 0,005 bis 0,025 g/cm3 liegt. Aerogel ist besonders vorteilhaft, da es offenzellig ist, eine hohe spezifische Oberfläche besitzt und deshalb sowohl in offenzelligen als auch geschlossenzelligen Materialien eingesetzt werden kann. Im Gegensatz hierzu könnten nämlich geschlossenzellige nanostrukturierte Materialien nicht in offenzelligen Verbundwerkstoffen resultieren.
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Die Schichtsilicate sind vorteilhafterweise ausgewählt aus Vermiculiten, Biotiten, oder Zeolithen sowie deren Gemische (beispielsweise Blähglimmer).
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Die Aerogele umfassen vorteilhafterweise Silica-Aerogele. Auch wenn die erfindungsgemäßen Metallschaum-Verbundwerkstoffe mit hydrophilen Aerogelen erhalten werden können, so sind hydrophobe Aerogele doch bevorzugt, da diese sich besonders leicht mit Metallschmelze benetzen lassen. Der Porendurchmesser des Aerogels selbst liegt vorteilhafterweise in einem Bereich von 5 bis 50 nm. Die spezifische Oberfläche der eingesetzten Aerogele liegt vorteilhafterweise in einem Bereich von 200 bis 1500 m2/g.
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Vorteilhafterweise liegt die Wärmeleitfähigkeit der Aerogele in einem Bereich von 0,005 bis 0,03 W/mK bei 25°C. Das Aerogel liegt vorzugsweise als Granulat vor, insbesondere als Granulat, bei dem die Korngrößenverteilung dergestalt ist, dass mindestens 80 Vol.-% des Aerogelgranulats eine Körnung in einem Bereich von 0,1 bis 5 mm aufweist. Die Form der Körner des Aerogels ist vorteilhafterweise ausgewählt aus kugelförmig, polyedrisch, zylindrisch oder plättchenförmig.
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Das Metall der Matrix ist vorteilhafterweise ausgewählt aus Aluminium, Zink, Zinn, Kupfer, Magnesium, Silizium oder einer Legierung aus mindestens zweien dieser Metalle. Die Metallmatrix besteht besonders bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Als Legierungen sind insbesondere darüber hinaus bevorzugt AlSi, AlSiMg, AlCu, Bronze oder Messing. Der Schmelzpunkt der erfindungsgemäßen Metallmatrix liegt vorteilhafterweise in einem Bereich von 600 bis 900°C, insbesondere in einem Bereich von 600 bis 750°C.
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Obwohl Aerogel bislang als mechanisch sehr unstabil angesehen worden ist, ist es bei der vorliegenden Erfindung erstmals überraschenderweise gelungen, Aerogel unter Erhalt der Struktur mit einer Metallschmelze zu einem Metallschaum-Verbundwerkstoff zu verarbeiten. Durch die Wahl der Aerogele kann so zum ersten Mal eine Zellmorphologie mit definierten Porengrößen in Metallschaum eingestellt werden. Das Aerogel muss als Füllstoff aufgrund seines geringen Gewichts anders als bei der konventionellen Herstellung eines metallischen Schaums nicht mehr entfernt werden.
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Die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe weisen vorteilhafterweise eine Stauchhärte beziehungsweise Druckfestigkeit bei einer Stauchung von 20% von mindestens 8 MPa auf (nach DIN 53577/ISO 3386). Das Raumgewicht der erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe liegt vorteilhafterweise in einem Bereich von 0,3 bis 2 g/cm3, insbesondere in einem Bereich von 1 bis 2 g/cm3. Ist die Dichte des Verbundwerkstoffs zu hoch, so ist der Verbundwerkstoff für viele Anwendungen, bei denen leichte Werkstoffe notwenig sind, ungeeignet. Ist die Dichte jedoch zu gering, so sind die resultierenden Verbundwerkstoffe nicht genügend mechanisch stabil.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Metallschaum-Verbundwerkstoffs, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man folgende Schritte durchführt:
- a) externes Mischen der nanostrukturierten Aerogele oder Schichtsilicate mit einer Metallschmelze und Überführen in eine Gussform oder
- a') Mischender nanostrukturierten Aerogele oder Schichtsilicate mit einer Metallschmelze in der Gussform,
- b) Erstarren lassen, und
- c) Entnahme aus der Form.
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Alternativ ist es auch möglich, die nanostrukturierten Aerogele oder Schichtsilicate mit einem Metallpulver zu mischen und anschließend das Metall zu schmelzen.
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Die Aufgabe wird also dadurch gelöst, dass beispielsweise polyedrische oder kugelige nanostrukturierte Silica-Aerogelteilchen in eine gegebenenfalls thixotrope Metallschmelze eingerührt werden. Da das Aerogel chemisch inert ist, findet keine Reaktion zwischen dem Metall und der Schmelze statt. Während des Rührens erstarrt das Metall und schließt die Aerogelteilchen ein. Noch im weichen Zustand kann der Metallverbund vorteilhafterweise gepresst werden, so dass eine gewünschte Formgebung erfolgen kann. Thixotrop im Sinne der Erfindung ist die Metallschmelze immer dann, wenn deren Temperatur zwischen der Liquidus- und Solidustemperatur liegt.
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Das Verfahren kann auch vorteilhafterweise auf dem Hinterfüllen einer Anhäufung von Aerogelgranulat mit einer Metallschmelze beruhen. Die vorteilhafterweise druckbeaufschlagte Schmelze dringt in die Zwischenräume ein und füllt die Zwickel aus. Nach der Erstarrung muss das Aerogel nicht mehr entfernt werden, da es mit einer Dichte von beispielsweise etwa 0,015 g/cm3 nur einen Bruchteil des Gesamtgewichts ausmacht. Die Druckbeaufschlagung kann vorteilhafterweise bei kleineren Bauteilen durch die Zentrifugalkraft im Schleuderguss realisiert werden und bei größeren Bauteilen im Druckguss.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Metallschaum-Verbundwerkstoffe im Strukturleichtbau, insbesondere bei Anwendungen in kraftfahrzeugen oder in tragbaren elektronischen Geräten.
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Ausführungsbeispiele:
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Beispiel 1:
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Silica-Aerogelgranulat wurde aus Aerogelmonolithen durch Zermahlen gewonnen. Das so erhaltene hydrophile polyedrische Silica-Aerogel (Airglas®, Staffanstorp, Schweden) wurde als Granulat zunächst bei 600°C ausgeheizt. Eine AlSi Legierung (Aluminium enthaltend 7 Gew.% Silizium) wurde aufgeschmolzen und nachfolgend durch langsames Rühren bei gleichzeitiger Absenkung der Temperatur in das Intervall zwischen Liquidus- und Solidustemperatur in den thixotropen (halbfesten) Zustand gebracht. Aerogelgranulat (Körnung 0,1 mm bis 5 mm) wurde zu 40 Vol.-% dem Metall durch Rühren beigefügt. Das Mischen erfolgte von Hand. Das halbfeste Metall verhinderte ein Aufschwimmen des extrem leichten Silica-Aerogelgranulates. Sobald ein Rühren aufgrund der fortgeschrittenen Erstarrung nicht mehr möglich war, wurde die noch weiche Verbindung mit Druck beaufschlagt und konnte so in jede beliebige Form gebracht werden. Die Porosität betrug 40% bei Porendurchmessern in einem Bereich von 0,1 bis 5 mm. 1 zeigt den metallischen Metallschaum-Verbundwerkstoff gemäß Beispiel 1.
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Beispiel 2:
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Aerogelgranulat gemäß Beispiel 1 wurde mit einer 720°C heißen AlSiMg Legierung (Aluminium enthaltend 7 Gew.% Silizium und 0,6 Gew.% Magnesium) hinterfüllt. Dazu wurde eine Gießform mit einer losen Schüttung des Aerogelgranulats gefüllt. Der Abguss erfolgte von unten, so dass die Schmelze mit einem leichten Druck die Zwischenräume zwischen den Partikeln vollständig ausfüllte. In diesem Fall genügte ein schwacher Überdruck von 1 Atm. Nach Beendigung des Abgusses erhielt man einen metallischen Verbund aus Aerogelgranulat und Metall.
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Beispiel 3:
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Die in Beispiel 1 und 2 genannten Verfahren wurden auch mit kugeligem Aerogelgranulat, sog. Aerogel Beads der Cabot Corp., durchgeführt. Bei Wahl dieses Füllstoffes wurde die spätere Zellmorphologie eindeutig vorgegeben.
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Beispiel 4:
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Die thermisch expandierten Schichtsilicate, Vermiculit, Biotit und Muskovit (3 g) wurden jeweils in eine 730°C heiße AlCu Schmelze (300 g; Aluminium enthaltend 9 Gew.% Kupfer) gegeben und vorsichtig bis zu Erstarrung untergerührt. Nach der Erstarrung lag ein Verbund aus anorganischen Silicaten und einer metallischen Legierung vor. Die Porosität betrug 30% bei Porendurchmessern in einem Bereich von 0,1 bis 7 mm. 2 zeigt den metallischen Verbund gemäß Beispiel 4 mit groben Partikeln aus expandiertem Biotit.
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Beispiel 5:
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Die Aerogelgranulate wie in Beispiel 1 wurden in eine wärmebeständige Gussform bis zur vollständigen Raumausfüllung gefüllt und in eine Schleudergussanlage eingesetzt. Der Tiegel der Schleudergussanlage (AuTi2,0, Linn High-Term, Eschfelden) wurde mit einer Legierung aus Aluminium enthaltend 7 Gew.% Silizium gefüllt (etwa 100 g). Durch den normalen Prozess des Schleudergießens wurden die Hohlräume zwischen den Aerogelpartikeln vollständig mit Metall gefüllt. Der Volumengehalt an Poren, die mit Aerogel vollständig ausgefüllt sind, konnte durch die Teilchengrößenverteilung der Füllpartikel zwischen 50 und 80% variiert werden.